Биотехнологическая трансформация биомассы мискантуса гигантского в бактериальную наноцеллюлозу

Биотехнологическая трансформация растительного сырья является одним из наиболее перспективных промышленных процессов получения высокоценных продуктов из недорогого растительного сырья. Целью проведенной работы являлся анализ биотрансформации мискантуса гигантского в высокоценную бактериальную наноцеллюлозу от исходного сырья до конечного продукта, то есть представление полного цикла переработки растительного сырья. Изначально был определен химический состав биомассы мискантуса гигантского, содержание целлюлозы в ней составило 54%. Далее осуществляли биотрансформацию в три этапа: на первом этапе биомассу мискантуса гигантского подвергали предварительной обработке четырьмя способами; далее полученные субстраты подвергали ферментативному гидролизу в одинаковых условиях и получали углеводные питательные среды; на завершающем этапе проводили биосинтез бактериальной наноцеллюлозы на полученных питательных средах посредством симбиотической культуры Мedusomyces gisevii Sa-12. В результате было выявлено, что химическая предобработка с помощью разбавленных растворов азотной кислоты и гидроксида натрия является чрезвычайно эффективной и позволяет повысить реакционную способность к ферментативному гидролизу в 28–31 раз по сравнению с нативным мискантусом. Однозначно показано, что в технологии получения бактериальной наноцеллюлозы из мискантуса гигантского предварительную обработку биомассы необходимо проводить в одну стадию разбавленным раствором азотной кислоты. В этом случае выход субстрата из исходного сырья для последующего гидролиза составляет 50%, излечение редуцирующих сахаров из биомассы мискантуса максимально (65,2%) и выход бактериальной наноцеллюлозы в 1,1–1,3 раза выше, чем при трех других способах предобработки биомассы.

1. Khan S., Ul-Islam M., Fatima A., Manan S., Khattak W.A., Ullah M.W., et al. Potential of food and agro-industrial wastes for cost-effective bacterial cellulose production: an updated review of literature // ES Food & Agroforestry. 2023. Vol. 13. P. 905. DOI: 10.30919/esfaf905.

2. Avcioglu N.H. Bacterial cellulose: recent progress in production and industrial applications // World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2022. Vol. 38. P. 86. DOI: 10.1007/s11274-022-03271-y.

3. Zhong C. Industrial-scale production and applications of bacterial cellulose // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. Vol. 8. P. 605374. DOI: 10.3389/fbioe.2020.605374.

4. Volova T.G., Kiselev E.G., Demidenko A.V., Zhila N.O., Nemtsev I.V., Lukyanenko A.V. Production and properties of microbial polyhydroxyalkanoates synthesized from hydrolysates of Jerusalem artichoke tubers and vegetative biomass // Polymers. 2022. Vol. 14, no. 1. P. 132. DOI: 10.3390/polym14010132.

5. Ha D.T., Kanarskiy A.V., Kanarskaya Z.A., Scherbakov A.V., Scherbakova E.N., Pranovich A.V. Impact of cultivation conditions on xylanase production and growth in Paenibacillus mucilaginosus // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2020. Т. 10. N 3. С. 459–469. DOI: 10.21285/2227-2925-2020-10-3-459-469. EDN: OMLQLP.

6. Евстафьев С.Н., Фомина Е.С., Тигунцева Н.П. Термохимическое ожижение соломы пшеницы в среде суб- и сверхкритического тетралина // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. N 1. С. 160–166. DOI: 10.21285/2227-2925-2022-12-1-160-166. EDN: VQQNNY.

7. Shavyrkina N.A., Budaeva V.V., Skiba E.A., Gismatulina Y.A., Sakovich G.V. Review of current prospects for using Miscanthus-based polymers // Polymers. 2023. Vol. 15, no. 14. P. 3097. DOI: 10.3390/polym15143097.

8. Wang C., Kong Y., Hu R., Zhou G. Miscanthus: a fast-growing crop for environmental remediation and biofuel production // GCB Bioenergy: Bioproducts for a Sustainable Bioeconomy. 2021. Vol. 13, no. 1. P. 58–69. DOI: 10.1111/gcbb.12761.

9. Banerjee S., Dien B.S., Eilts K.K., Sacks E.J., Singh V. Pilot-scale processing of Miscanthus x giganteus for recovery of anthocyanins integrated with production of microbial lipids and lignin-rich residue // Chemical Engineering Journal. 2024. Vol. 485. P. 150117. DOI: 10.1016/j.cej.2024.150117.

10. Zabed H., Sahu J.N., Boyce A.N., Faruq G. Fuel ethanol production from lignocellulosic biomass: an overview on feedstocks and technological approaches // Renewable & Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 66. P. 751–774. DOI: 10.1016/j.rser.2016.08.038.

11. Kim J.S., Lee Y.Y., Kim T.H. A review on alkaline pretreatment technology for bioconversion of lignocellulosic biomass // Bioresource Technology. 2016. Vol. 199. P. 42-48. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.08.085.

12. Chaudhary G., Chaudhary N., Saini S., Gupta Y., Vivekanand V., Panghal A. Assessment of pretreatment strategies for valorization of lignocellulosic biomass: path forwarding towards lignocellulosic biorefinery // Waste and Biomass Valorization. 2024. Vol. 15. P. 1–36. DOI: 10.1007/s12649-023-02219-z.

13. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis // Polymers. 2019. Vol. 11, no. 10. P. 1645. DOI: 10.3390/polym11101645.

14. Skiba E.A., Gladysheva E.K., Golubev D.S., Budaeva V.V., Aleshina L.A., Sakovich G.V. Selfstandardization of quality of bacterial cellulose produced by Medusomyces gisevii in nutrient media derived from Miscanthus biomass // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 252. P. 117178. DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.117178.

15. Goh W.N., Rosma A., Kaur B., Fazilah A., Karim A.A., Rajeev B. Fermentation of black tea broth (Kombucha): I. Effects of sucrose concentration and fermentation time on the yield of microbial cellulose // International Food Research Journal. 2012. Vol. 19, no. 1. P. 109–117.

16. Gladysheva E.K., Skiba E.A., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. Study of the conditions for the biosynthesis of bacterial cellulose by the producer Medusomyces gisevii Sa-12 // Applied Biochemistry and Microbiology. 2018. Vol. 54. P. 179–187. DOI: 10.1134/S0003683818020035.

17. Bogolitsyn K., Parshina A., Aleshina L. Structural features of brown algae cellulose // Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 9787–9800. DOI: 10.1007/s10570-020-03485-z.

18. Van der Cruijsen K., Al Hassan M., van Erven G., Dolstra O., Trindade L.M. Breeding targets to improve biomass quality in Miscanthus // Molecules. 2021. Vol. 26, no. 2. P. 254. DOI: 10.3390/molecules26020254.

19. Rohrbach J.C., Luterbacher J.S. Investigating the effects of substrate morphology and experimental conditions on the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass through modeling // Biotechnology for Biofuels and Bioproducts. 2021. Vol. 14. P. 103. DOI: 10.1186/s13068-021-01920-2.

20. Krystynowicz A., Czaja W., Wiktorowska-Jezierska A., Gonçalves-Miśkiewicz M., Turkiewicz M., Bieleckil S. Factors affecting the yield and properties of bacterial cellulose // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2002. Vol. 29, no. 4. P. 189–195. DOI: 10.1038/sj.jim.7000303.

21. Yurkevich D.I, Kutyshenko V.P. Medusomyces (tea fungus): a scientific history, composition, features of physiology and metabolism // Biophysics. 2002. Vol. 47, no. 6. P. 1035–1048.

22. Hong F., Qiu K. An alternative carbon source from konjac powder for enhancing production of bacterial cellulose in static cultures by a model strain Acetobacter aceti subsp. xylinus ATCC 23770 // Carbohydrate Polymers. 2008. Vol. 72, no. 3. P. 545–549. DOI: 10.1016/j.carbpol.2007.09.015.

23. Amorim L.F.A., Li L., Gomes A.P., Fangueiro R., Gouveia I.C. Sustainable bacterial cellulose production by low cost feedstock: evaluation of apple and tea by-products as alternative sources of nutrients // Cellulose. 2023. Vol. 30. P. 5589–5606. DOI: 10.1007/s10570-023-05238-0.

24. Han Y.-H., Mao H.-L., Wang S.-S., Deng J.-C., Chen D.-L., Li M. Ecofriendly green biosynthesis of bacterial cellulose by Komagataeibacter xylinus B2-1 using the shell extract of Sapindus mukorossi Gaertn. as culture medium // Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 1255–1272. DOI: 10.1007/s10570-019-02868-1.

25. Carreira P., Mendes J.A.S., Trovatti E., Serafim L.S., Freire C.S.R., Silvestre A.J.D., et al. Utilization of residues from agro-forest industries in the production of high value bacterial cellulose // Bioresource Technology. 2011. Vol. 102, no. 15. P. 7354–7360. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.04.081.

26. Hestrin S., Schramm M. Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum. 2. Preparation of freeze-dried cells capable of polymerizing glucose to cellulose // Biochemical Journal. 1954. Vol. 58, no. 2. P. 345–352. DOI: 10.1042/bj0580345.

27. Bae S.O., Shoda M. Production of bacterial cellulose by Acetobacter xylinum BPR2001 using molasses medium in a jar fermentor // Applied Microbiology and Biotechnology. 2005. Vol. 67. P. 45–51. DOI: 10.1007/s00253-004-1723-2.

28. Tsouko E., Kourmentza C., Ladakis D., Kopsahelis N., Mandala I., Papanikolaou S., et al. Bacterial cellulose production from industrial waste and by-product streams // International Journal of Molecular Sciences. 2015. Vol. 16, no. 7. P. 14832–14849. DOI: 10.3390/ijms160714832.

29. Chen G., Wu G., Chen L., Wang W., Hong F.F., Jönsson L.J. Comparison of productivity and quality of bacterial nanocellulose synthesized using culture media based on seven sugars from biomass // Microbial Biotechnology. 2019. Vol. 12, no. 4. P. 677–687. DOI: 10.1111/1751-7915.13401.

30. Revin V.V., Liyaskina E.V., Parchaykina M.V., Kuzmenko T.P., Kurgaeva I.V., Revin V.D., et al. Bacterial cellulose-based polymer nanocomposites: a review // Polymers. 2022. Vol. 14, no. 21. P. 4670. DOI: 10.3390/polym14214670.

31. Kim H., Son J., Lee J., Yoo H.Y., Lee T., Jang M., et al. Improved production of bacterial cellulose through investigation of effects of inhibitory compounds from lignocellulosic hydrolysates // GCB Bioenergy: Bioproducts for a Sustainable Bioeconomy. 2021. Vol. 13, no. 3. P. 436–444. DOI: 10.1111/gcbb.12800.